工程师首次创造双层硼烯

西北大学的工程师第一次创造了双层原子平面硼烯，这一壮举挑战了硼在单原子层限制之外形成非平面簇的自然趋势。尽管以其有前途的电子特性而闻名，但硼烯——一种单原子层厚的硼片——在合成方面具有挑战性。与它的模拟二维材料石墨烯不同，石墨烯可以使用透明胶带等简单的东西从天然层状石墨上剥离，而硼烯不能仅仅从大块硼上剥离。相反，硼烯必须直接生长在基材上。

如果生长一层很困难，那么生长多层原子级平坦的硼烯似乎是不可能的。由于块状硼不像石墨那样分层，因此在单个原子层之外生长的硼会导致聚集而不是平面薄膜。

该研究的共同资深作者、西北大学的 Mark C. Hersam 说：“当你尝试生长更厚的层时，硼想要采用其整体结构。” “与其保持原子级平坦，更厚的硼膜形成粒子和簇。关键是找到阻止簇形成的生长条件。直到现在，我们认为你不能超越一层。现在我们已经进入了未探索的领域单个原子层和大块之间的区域，为发现提供了一个新的游乐场。”

该研究将于 8 月 26 日发表在《自然材料》杂志上。

Hersam 是麦考密克工程学院材料科学与工程的 Walter P. Murphy 教授兼材料研究科学与工程中心主任。他还是西北大学国际纳米技术研究所和辛普森奎里研究所的成员。Hersam 与莱斯大学的 Karl F. Hasselmann 工程教授 Boris Yakobson 共同领导了这项工作。

五年前，Hersam 和他的合作者第一次创造了硼烯。硼烯比石墨烯更坚固、更轻、更灵活，有可能彻底改变电池、电子产品、传感器、太阳能电池和量子计算。尽管理论研究预测双层硼烯是可能的，但包括 Hersam 在内的许多研究人员并不相信。

“即使理论工作预测它的存在，制造新材料也具有挑战性，”赫萨姆说。“理论很少告诉你实现这种新结构所需的合成条件。”

Hersam 的团队发现，正确条件的关键是用于生长材料的基材。在这项研究中，Hersam 和他的同事在平坦的银色基材上培养了硼烯。当暴露在非常高的温度下时，银会在原子级台阶束之间形成非常平坦的大梯田。

“当我们在这些大而平坦的梯田上种植硼烯时，我们看到形成了第二层，”赫萨姆说。“在那个偶然的观察之后，我们有意将精力集中在那个方向。我们发现它时并没有寻找第二层。许多材料的发现都是以这种方式发生的，但是当你偶然发现一些意想不到的东西时，你必须意识到这个机会.”

这种双层材料保持了硼烯的所有理想电子特性，同时提供了新的优势。例如，该材料包括两个原子层厚的薄片，它们之间有空间粘合在一起，可用于能量或化学存储。

“有理论预测，双层硼烯是一种很有前途的电池材料，”赫萨姆说。“层与层之间的空间提供了一个容纳锂离子的地方。”

Hersam 的团队希望其他研究人员现在受到启发，继续生长更厚的硼烯层，或者创造具有不同原子几何形状的双层。

“钻石、石墨、石墨烯和碳纳米管都基于具有不同几何形状的一种元素(碳)，”Hersam 说。“硼的可能性似乎与碳一样丰富，甚至更多。我们相信我们仍处于二维硼传奇的早期阶段。”

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